[發明專利]一種提高CMOS圖像傳感器量子效率的光電二極管結構

有效

• 申請號: 201711223134.X
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN107994096B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 孫德明
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發中心有限公司;成都微光集電科技有限公司
• 主分類號: H01L31/109
• 分類號: H01L31/109
• 代理公司: 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;陳慧弘

本發明公開了一種提高CMOS圖像傳感器量子效率的光電二極管結構，位于輕摻雜襯底中，包括重置晶體管、傳輸晶體管、PN光電二極管、像素單元隔離區、阱區和環狀硅區；所述傳輸晶體管的兩端分別連接所述重置晶體管和PN光電二極管；所述重置晶體管、傳輸晶體管和PN光電二極管形成的區域被環狀的像素單元隔離區包圍，所述像素單元隔離區中緊鄰所述重置晶體管的部分為淺溝槽隔離，所述PN光電二極管中P型區域和N形區域在垂直方向上下分布，且位于下方的區域自上而下包括摻雜濃度不同的區域Ⅰ、區域Ⅱ和區域Ⅲ，在所述阱區和像素單元隔離區的下方設置環狀硅區。本發明提供的光電二極管結構，可以提高長波段的量子效率，并且避免引入帶間隧穿漏電。

技術領域

本發明涉及半導體領域，具體涉及一種提高CMOS圖像傳感器量子效率的光電二極管結構。

背景技術

CMOS圖像傳感器是一種光電轉換器件，入射的光子把半導體價帶中的電子激發到導帶，并儲存在反向PN結中，再通過一個傳輸MOS晶體管轉移到電容上。

PN結反向偏置，即重置晶體管漏極接高電位，傳輸晶體管漏極懸浮，重置晶體管柵極置高壓打開，傳輸晶體管柵極置高壓打開，此時鉗位光電二極管中的PN結的N區的電荷(電子)被抽取，鉗位光電二極管中的PN結被置于設定的反偏電位；重置晶體管柵極置低壓關閉，傳輸晶體管柵極置低壓關閉，經過一定時間的光照，PN結充入一定量的電子后，PN結的反偏電位會降低，降低的電位幅度與光照強度與光照時間成正比；傳輸晶體管柵極置高壓打開，PN結中儲存的電子流到傳輸晶體管的漏極后，使傳輸晶體管漏極的電位降低，降低的幅度與光電二極管中儲存的電荷數量及光電二極管與傳輸晶體管漏極的電容比例成正比。讀取傳輸晶體管漏極在電荷傳輸前后電位的變化即可知在該像素單元的光照強度。掃描整個像素陣列，就可以得到入射到像素陣列表面的光照強度，即物體的圖像信息。

在CMOS圖像傳感器工作過程中，每一次曝光之前，都需要進行PN光電二極管的重置，附圖1為現有技術中的CMOS圖像傳感器的結構示意圖，位于P型輕摻雜襯底5中，包括重置晶體管、傳輸晶體管、PN光電二極管和P型像素單元隔離區，重置晶體管、傳輸晶體管的柵極和柵氧化層位于P型輕摻雜襯底的上表面，重置晶體管、傳輸晶體管的源極和漏極位于P型輕摻雜襯底5中，PN光電二極管中P型區域11位于N型區域4的正上方，且N型區域4為傳輸晶體管的源極，傳輸晶體管的源極7與其柵極9之間隔著PN光電二極管的P型區域11，傳輸晶體管的漏極7和重置晶體管的源極7重合，重置晶體管的漏極7一側為淺溝槽隔離1，重置晶體管、傳輸晶體管和PN光電二極管形成的區域被環狀的P型像素單元隔離區6包圍，且環狀的P型像素單元隔離區6中緊鄰重置晶體管的部分為淺溝槽隔離1，淺溝槽隔離1的另一側為P型連接區8，即淺溝槽隔離以及P型像素單元隔離區6共同形成一個環繞的重置晶體管、傳輸晶體管和PN光電二極管的區域。以附圖1所示的CMOS圖像傳感器為例，重置的操作時序是這樣的，左邊的重置晶體管打開，傳輸晶體管的懸浮漏極7到高電位后，傳輸晶體管打開，PN光電二極管里的電子就被抽走，PN光電二極管電位升高就被重置。左邊的重置晶體管和傳輸晶體管都關掉，傳輸晶體管的懸浮漏極7還在高電位。PN光電二極管經過一段時間的光照后，儲存了一些電子。此時傳輸晶體管打開，電子從PN光電二極管轉移到懸浮漏極7后，PN光電二極管的電位升高，懸浮漏極7的電位下降；懸浮漏極7的電位變化和懸浮漏極7的電容二者乘積就是轉移的電荷數量。

常用的3.3V的CMOS圖像傳感器中PN結光電二極管在重置后，N型硅區的最高電壓在1.8V左右，這時其耗盡區寬度在2.1微米左右。對于700納米的紅光，耗盡區寬度要達到3微米，才可以使量子效率大于50％。

要提高長波段的量子效率，需要增加耗盡區寬度。增加耗盡區寬度有兩種思路，第一可以增加電壓，但是增加電壓后，會引入帶間隧穿(BTBT)漏電，導致暗電流增加。第二可以增加PN結N區深度，但是增加PN結N區深度之后，會增加重置后的殘留電子，從而導致暗光響應效果差。

發明內容